以太网交换机

概念

       1990 年问世的交换式集线器(switching hub)，可明显地提高局域网的性能。交换式集线器常称为以太网交换机（Ethernet Switch）或第二层交换机（表明此交换机工作在数据链路层）。
需要说明的是，这里所指的“以太网交换机”是指传输带宽在100Mbps以下的交换机，下面我们还会要讲到一种“快速以太网交换机”、“千兆以太网交换机”和“万兆以太网交换机”其实也是以太网交换机，只不过它们所采用的协议标准、或者传输介质不一样，当然其接口形式也可能不一样。
 

接口

        以太网包括三种网络接口：

RJ-45接口

        这种接口应用最为普遍。因其适配线缆\传输介质制作简单，传输速率快。支持的双工工作方式齐全。
 

BNC

        所用的传输介质为细同轴电缆，当前已不常见。不要以为一讲以太网就都是RJ-45接口的，只不过双绞线类型的RJ-45接口在网络设备中非常普遍而已。
 

AUI

        所用的传输介质为粗同轴电缆。当前多是广电宽带采用同轴电缆作为网络传输介质，范围不广。为了在RJ-45接口的基础上兼顾同轴电缆介质的网络连接，配上BNC或AUI接口。
 

应用

        以太网交换机应用最为普遍，价格也较便宜，档次齐全。因此，应用领域非常广泛，在大大小小的局域网都可以见到它们的踪影。以太网交换机通常都有几个到几十个端口，实质上就是一个多端口的网桥。另外，它的端口速率可以不同，工作方式也可以不同，如可以提供10M、100M的带宽、提供半双工、全双工、自适应的工作方式等。
 

特点
 

1、以太网交换机的每个端口都直接与主机相连，并且一般都工作在全双工方式。
2、交换机能同时连通许多对的端口，使每一对相互通信的主机都能像独占通信媒体那样，进行无冲突地传输数据。
3、共享传输媒体的带宽，对于普通10 Mb/s 的共享式以太网，若共有N个用户，则每个用户占有的平均带宽只有总带宽（10 Mb/s）的N分之一。
 

涉及概念

Broadcast（广播）
        递送报文分组的一种方式，按这种方式送出的报文分组将送到与发送系统连通的广播地址所覆盖的所有计算机系统。
 

Collision（冲突）
        多个事件同时请求一个服务，而这个服务又不能区分和应付多个请求所出现的现象。以太网交换机使用CSMA/CD 处理冲突和协调重新传输。
 

Full-duplex（全双工）
        全双工是在通道中同时双向数据传输的能力。
 

Half-duplex（半双工）
        在通道中同时只能沿着一个方向传输数据。
 

Stackable（堆叠）
        堆叠是通过集线器的背板或是通过专用堆叠线缆连接起来的。堆叠后的数台集线器或交换机在逻辑上是一个被网管的设备。
 

Spanning tree（生成树）
        遵循IEEE803.1d 标准。当网络中出现环路时，该协议可以采用生成树的算法从逻辑上断开其中一条连接，使其成为备份线路。当网络出现断路时，该协议会自动启动上述备份线路，确保网络正常工作。一种用于在网络中检测环路并逻辑地阻塞冗余路径，以确保在任意两个节点之间只存在一条路径的技术。为提高可靠性，网络中的设备间常需建立冗余连接。但是以太网的逻辑拓扑结构是星型或总线型的，因此链路中不允许出现环路。Spanning Tree 可以解决上述矛盾。
 

Uplink（级联）
        级联是通过集线器（或交换机）的某个端口与其它集线器或交换机相连的，级联后每台集线器或交换机在逻辑上仍是多个被网管的设备。通过级联端口相连的设备不需要Cross-over 电缆。
 

工作原理

        以太网交换机工作于OSI网络参考模型的第二层（即数据链路层），是一种基于MAC（Media Access Control，介质访问控制）地址识别、完成以太网数据帧转发的网络设备。
 

        交换机上用于链接计算机或其他设备的插口称作端口。计算机借助网卡通过网线连接到交换机的端口上。网卡、交换机和路由器的每个端口都具有一个MAC地址，由设备生产厂商固化在设备的EPROM中。MAC由IEEE负责分配，每个MAC地址都是全球唯一的。MAC地址是长度为48位的二进制，前24位由设备生产厂商标识符，后24位由生产厂商自行分配的序列号。
 

        交换机在端口上接受计算机发送过来的数据帧，根据帧头的目的MAC地址查找MAC地址表然后将该数据帧从对应端口上转发出去，从而实现数据交换。
 

        交换机的工作过程可以概括为“学习、记忆、接收、查表、转发”等几个方面：通过“学习”可以了解到每个端口上所连接设备的MAC地址；将MAC地址与端口编号的对应关系“记忆”在内存中，生产MAC地址表；从一个端口“接收”到数据帧后，在MAC地址表中“查找”与帧头中目的MAC地址相对应的端口编号，然后，将数据帧从查到的端口上“转发”出去。
 

        交换机分割冲突域，每个端口独立成一个冲突域。每个端口如果有大量数据发送，则端口会先将收到的等待发送的数据存储到寄存器中，在轮到发送时再发送出去。
 

转发方式
 

1. 直通转发（cut-through switching ）
2. 存储转发（Store-and-Forward switching）
3. 无碎片转发（segment-free switching）
 

        直通式交换，也就是交换机在收到帧后，只要查看到此帧的目的MAC地址，马上凭借MAC地址表向相应的端口转发；这种方式的好处是速度快，转发所需时间短，但问题是可能同时把一些错误的、无用的帧也同时转发向目地端。存储转发机制就是交换机的每个端口被分配到一定的缓冲区（内存空间，一般为64 k），数据在进入交换机后读取完目标MAC地址，凭借MAC地址表了解到转发关系后，数据会一直在此端口的缓冲区内存储，直到数据填满缓冲区然后一次把所有数据转发到目的地。在数据存储在缓冲区期间，交换机会对数据作出简单效验，如果此时发现错误的数据，就不会转发到目地端，而是在这里直接丢弃掉了。当然这种方式可以提供更好的数据转发质量，但是相对的转发所需时间就会比直通交换要长一点。碎片隔离式也叫改进型直通式交换，利用到直通式的优势就是转发迟延小，同时会检查每个数据帧的长度。因为原理上，每个以太网帧不可能小于64字节，大于1518字节。如果交换机检查到有小过64字节或大于1518字节的帧，它都会认为这些帧是“残缺帧”或“超长帧”，那么也会在转发前丢弃掉。这种方式综合了直通交换和存储转发的优势，很多高速交换机会采用，但是并没有存储转发方式来的普及。
 

        无论是直通转发还是存储转发都是一种二层的转发方式，而且它们的转发策略都是基于 目的MAC（DMAC）的，在这一点上这两种转发方式没有区别。第三种方法主要是第一种“直通转发”的变形。
 

        它们之间的最大区别在于，它们何时去处理转发，也就是交换机怎样去处理数据包的接收进程和转发进程的关系。